质子交换膜燃料电池汽车的能量监控策略



质子交换膜燃料电池汽车的能量监控策略

为降低车辆温室气体排放，主要研究了燃料电池、混合动力及电动汽车技术的开发。FCV（燃料电池汽车）相比混合动力汽车及电动汽车有以下优点：近乎零排放、高能量利用率以及快速充电特性。由于工作温度低（约70℃），PEMFC（质子交换膜燃料电池）被广泛用于FCV中。

为了建立FCV的能量监控策略，搭建了低速FCV实车试验平台，主要元件包括Axane提供的48V燃料电池、串联蓄电池组（9×8V）以及作为驱动系统的三相感应电机。其中，电池组充分放电作为主能量系统，燃料电池辅助储能。

针对储能系统复杂、非线性和电路能量耦合等特点，引入能量宏观表达法（EMR）对PEMFC、蓄电池组、感应电机及环境工况进行建模。EMR能够综合考虑多物理量特性并使得FCV中物理量之间的相互关系更加清晰直观。燃料电池模块中，电压包括能斯特电位及过电压、激活电压、阻抗电压和浓差电压。蓄电池组模块中，模型根据充电状态（SOC）和电池的充、放电阻抗值得到输出电压值。三相感应电机模块采用矢量控制方法，包括Park变换和定子磁链目标控制。路面环境模块包括滚动摩擦阻力、空气阻力、坡度阻力以及加速阻力。最后，对模型进行仿真并与实车平台数据对比验证。

通过模型仿真得到燃料电池能量利用率与功率的关系曲线（图1），可以看出，在低功率段，能量利用率呈现突变。为防止PEMFC系统的降解和老化，应尽量使燃料电池工作在最大能量利用率区域。基于这一理念，设计电池SOC控制方法，即根据SOC变量值与所设定阈值之间关系划分燃料电池的3种工作模式：最大功率、最大能量利用率和停止。仿真结果表明，PEMFC系统能够很好地在这3种工作模式下进行切换。

K.Ettihir et al.2012 IEEE International Symposium on Industrial Electronics

编译：张为荣